Çelik Bileşimi: Kimyasal Elementler, Alaşımlandırma Yöntemleri ve Teknik Şartname

Demir, Karbon ve Çeliğin Tanımı

Çelik, karbonun başlıca alaşım elementi olduğu demir bazlı bir alaşımdır. Karbon, demir kristal kafesine karışır ve ısıl işleme koşullarına bağlı olarak, çok çeşitli mikroyapılar ve mekanik özellikler ortaya çıkaracak şekilde dağılır. Çelik için üst karbon sınırı genellikle %2,1 ağırlıkça olarak kabul edilir; bu sınırın ötesinde alaşım, birincil karbürler içeren bir yapıya bürünür ve işleme özellikleri bakımından temelden farklı olan dökme demir olarak sınıflandırılır.

Çelik yelpazesi içinde, karbon içeriği ısıl işlem tepkisini belirleyen başlıca değişkendir. Düşük karbonlu çelikler tok ve kaynaklanabilirdir, ancak önemli ölçüde sertleşmezler. Yüksek karbonlu çelikler, su verme işleminden sonra yüksek sertlik ve mukavemet elde ederler; ancak ısıl işlemler dikkatli bir şekilde kontrol edilmezse, kaynaklanmaları giderek zorlaşır ve kırılgan kırılmaya karşı daha duyarlı hale gelirler.

Çelikteki Alaşım Elemanları

Karbonun yanı sıra, ticari çeliklerin çoğunda belirli metalurjik sonuçlar elde etmek amacıyla kasıtlı olarak eklenen ek elementler bulunur. Bu elementlerin seçimi ve dengesi, yumuşak yapı çeliğini dubleks paslanmaz çelikten, kriyojenik sınıf çelikten veya sünmeye dayanıklı basınçlı kap çeliğinden ayıran unsurdur.

Manganez, hemen hemen her ticari kalitede bulunur. Çelik üretiminde deoksidant görevi görür, sertleşebilirliği artırır ve kükürtle birleşerek manganez sülfür oluşturur; bu bileşik, demir sülfüre kıyasla malzeme özelliklerine çok daha az zarar verir. Krom, yaklaşık %10,5 ağırlık oranının üzerindeki seviyelerde, paslanmaz çeliklere korozyon direncini kazandıran pasif oksit tabakasını oluşturur; daha düşük konsantrasyonlarda ise sertleşebilirliğe ve aşınma direncine katkıda bulunur. Nikel, düşük ve sıfırın altındaki sıcaklıklarda tokluğu ve darbe direncini artırır; bu da onu, kriyojenik ve kutup bölgeleri uygulamaları için çeliklerde belirleyici bir katkı maddesi haline getirir. Molibden, yüksek sıcaklık mukavemetini ve sünme direncini artırır ve basınçlı kaplar ile yüksek sıcaklık tesis çeliklerinde standart bir katkı maddesidir. Vanadyum ve niyobyum, çok düşük konsantrasyonlarda bile etkilidir; bunlar tane inceltici ve çökelme sertleştiricilerdir; karbon içeriğini artırmadan önemli mukavemet artışlarının elde edildiği modern yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (HSLA) çelik sınıflarında karakteristik katkı maddeleridir. Silikon öncelikle bir deoksitleyici görevi görür, ancak daha yüksek seviyelerde elektrikli çeliklerde manyetik özellikleri ayarlamak için kullanılır.

Fosfor ve kükürt de tüm çeliklerde bulunur; ancak bunlar kasıtlı olarak ilave edilen maddeler değil, hammaddelerden kaynaklanan işlem kirlilikleridir. Her ikisi de eser miktarın üzerindeki seviyelerde mekanik özellikleri bozar ve tüm mühendislik sınıflarında belirlenen maksimum sınırlar içinde tutulur. Modern çelik üretim uygulamaları, bu elementlerin seviyelerini o kadar düşük tutar ki, uygulamaların büyük çoğunluğunda özellikler üzerindeki etkileri ihmal edilebilir düzeydedir.

Aşağıdaki tabloda bu unsurlar, işlevleri ve ticari uygulamalarda tipik olarak görülen bileşim aralıkları özetlenmiştir.

Tablo 1. Çelik bileşimindeki başlıca elementler, işlevleri ve yaklaşık ağırlık yüzdesi aralıkları. Değerler genel ticari uygulamaları yansıtmaktadır; şartname sınırları ise ilgili ürün standardında belirlenmiştir.

Çelik Bileşiminin Nasıl Belirlenir ve Raporlanır

Isı analizi ve ürün analizi

Çelik bileşimi, üretimin iki aşamasında raporlanır. Kama analizi olarak da adlandırılan kütle analizi, eritme işlemi sırasında veya hemen sonrasında erimiş çelikten alınır ve kütlenin bir bütün olarak bileşimini gösterir. Ürün analizi ise bitmiş haddelenmiş veya dövülmüş üründen alınır. Katılaşma sırasında elementlerin ayrışabilmesi nedeniyle, ürün analizi kütle analizinden biraz farklılık gösterebilir ve ürün standartları, bu ikisi arasındaki izin verilen sapmayı tanımlar. Her iki analiz de, ürünle birlikte verilen malzeme test sertifikasında belirtilir.

Gelen malzemeleri doğrulayan mühendisler için bileşim sertifikası en önemli belgedir. Bu sertifikayı, ilgili standardın bileşim tablosuyla element element karşılaştırarak kontrol etmek, malzeme onay sürecinde basit ancak önemli bir adımdır.

Pratik bir araç olarak karbon eşdeğeri

Birçok alaşım elemanı, çeliğin davranışını karbonla niteliksel olarak benzer şekillerde etkilediğinden, kaynak mühendisliğinde ön ısıtma gereksinimlerini ve hidrojen kaynaklı çatlama riskini değerlendirmek için “karbon eşdeğeri” (CE) adı verilen birleşik bir parametre kullanılır. En yaygın olarak kullanılan versiyon, karbonu manganez, krom, molibden, vanadyum, nikel ve bakırın ağırlıklandırılmış katkılarıyla birleştirir. CE, bileşim sertifikasından doğrudan hesaplanır ve imalat ve kaynak prosedürü yeterlilik çalışmalarıyla uğraşan mühendisler için bileşim verilerinin en rutin pratik kullanımlarından biridir.

Düşük CE değerine sahip bir çelik, orta büyüklükteki kesitlerde genellikle ön ısıtma yapılmaksızın kaynaklanabilir. CE değeri arttıkça, ısıdan etkilenen bölgedeki soğuma hızını yavaşlatmak ve çatlama riskini azaltmak için ön ısıtma gerekli hale gelir. Belirli bir CE değeri ve kesit kalınlığı için gerekli olan spesifik ön ısıtma sıcaklıkları, kaynak standartlarında ele alınmaktadır ve bu konu, kaynak metalurjisinin kalite seçimi ve imalat planlaması bağlamında pratik bir şekilde ele alındığı Total Materia mühendislik kılavuzlarında da işlenecektir.

Bileşim, Özellikler ve Eşdeğerlik

Bileşim, bir çeliğin potansiyelini belirler; ısıl ve mekanik işleme ise bitmiş ürünün bu potansiyel içinde hangi noktada yer aldığını belirler.
Bileşim aynı zamanda, farklı ulusal standartlara ait iki kalitenin gerçekten eşdeğer olup olmadığını değerlendirmek için temel dayanak noktasıdır. ASTM ve EN sınıfları arasındaki isim benzerliği, gerçek eşdeğerliğin güvenilir bir göstergesi değildir; bileşim sınırları ile mekanik özellik gerekliliklerinin doğrudan karşılaştırılması ise öyledir.